Проектные и ситуационные задания по общей и неорганической химии. Учебно-методическое пособие

Задача 6. Плавучие острова

В судовых журналах эпохи «Великих географических открытий» и более поздних периодов часто содержатся записи о загадочных «плавучих островах» – клочках земли и скал, которые моряки встречали во время своих странствий по Тихому и Индийскому океанам. Изначально многие исследователи считали подобные истории небылицами, однако все сомнения в их существовании были отброшены в июле 2012 г., когда извержение подводного вулкана Кермадек у берегов Самоа привело к формированию гигантского «плавучего острова» площадью в 550 тысяч квадратных километров и толщиной в несколько метров. Он просуществовал несколько месяцев, прежде чем волны и силы стихии разрушили его. В 2019 г. в Тихом океане ученые обнаружили «плавучий остров» размером с 20 тысяч футбольных полей, образованный в результате извержения подводной гряды вулканов Тонга.

Вопросы и задания

1.Опишите, как образуются такие острова? Из чего они состоят?

2.Укажите физико-химические характеристики пемзы (цвет, строение и пр.). В чем разница между природной и искусственной пемзой?

3.Где применяют пемзу? Чем она может быть опасна?

4.Состав пемзы можно выразить следующим образом: SiO2 70 %;

Аl2О3 14 %; Na2О 5 %; K2О 5 %; Fe3О4 3,5 %; CaO 2,5 %. Напишите фор-

мулу минерала, представленную формулами соответствующих оксидов.

Задача 7. Зеленая химия

Зеленая химия – подход, заключающийся в использовании чистых, менее загрязняющих окружающую среду, промышленных процессов. С акцентом на предотвращение загрязнений на начальных стадиях планирования и осуществления химических производств.

Для количественной оценки химических производств Роджер Шелдон ввел две основные характеристики: Е-фактор и атомная эффективность.

Атомная эффективность рассматривает степень полезного использования химических элементов, входящих в состав исходных соединений, ее рассчитывают по формуле

атомная эффективность= суммамолекулярныхмассвсехпродуктовмолекулярнаямассацелевогопродукта 100 %.

Чем ближе атомная эффективность к 100 %, тем более зеленой является данная реакция.

Вопросы и задания

1.Что под собой подразумевает понятие «Зеленая химия»? Укажите область применения.

2.КаквычисляетсяичтохарактеризуетЕ-фактор? Приведитепример.

11

3.Приведите пример реакции, в которой атомная эффективность равна 100 %, и реакции, для которой эта характеристика никогда не соответствует этому значению. Ответ обоснуйте.

4.Запишите (и укажите условия) три этапа при синтезе азотной кислоты аммиачным методом. Вычислите атомную эффективность каждой стадии аммиачногометодасинтезаазотной кислоты. Сделайтевыводы.

Задача 8. Солнечный камень

В1603 г. итальянский сапожник и алхимик Винченцо Каскариоло в ходе своих алхимических экспериментов с сульфатом бария (в виде минерала барита) и углем, обнаружил, что полученное вещество, после облучения в течения дня на солнце, испускало голубоватое свечение всю ночь. Вещество было названо «ляпис солярис», или «солнечный камень», потому что алхимики надеялись, что оно способно превращать в золото все, с чем вступит в контакт. С этого события начались первые исследования люминесценции.

В1866 г. был описан первый стабильный люминофор из сульфида цинка. А первым коммерчески доступным люминофором в 1870 г. стала «краска Бальмена» – раствор CaS [7].

Вопросы и задания

1.Укажите формулу вещества, которое получил В. Каскариоло в ходе своего опыта.

2.Что такое люминесценция? Какие существуют виды люминесценции? Дайте краткое описание каждого вида.

3.Что называют люминофорами? Где их используют?

4.Селениды цинка и кадмия входят в состав промышленных люминофоров. Рассчитайте массу цинка, кадмия и селена, необходимую для получения 1 кг селенида цинка и 1 кг селенида кадмия стехиометрического состава.

Задача 9. Тяжелый камень

Вольфрам является самым тугоплавким металлом. В основе его промышленного метода получения лежит реакция восстановления металла из его оксида. Первая стадия производства состоит в обогащении вольфрамосодержащей руды. Минерал шеелит (CaWO4) вскрывают выщелачиванием карбонатом натрия, а затем нейтрализуют соляной кислотой до получения вольфрамовой кислоты, которая при термическом разложении дает оксид вольфрама (VI). Полученный оксид восстанавливают до чистого металла в атмосфере водорода. Температура процесса составляет около 700 °С.

12

Вопросы и задания

1.Запишите описанные в тексте химические реакции, расставьте стехиометрические коэффициенты.

2.Что называют вскрытием минерала, как осуществляют данный процесс?

3.Для получения металла высокой степени очистки применяют метод «зонной плавки», опишите сущность метода.

4.Рассчитайте массу шеелита, необходимую для получения 1 кг вольфрама, если его выход составил 98 %.

Задача 10. Хромовые руды

Хром применяют для получения сплавов, из которых делают детали для космической техники, химической аппаратуры, подводных частей кораблей и т. д.

Хром получают из природного минерала хромита (хромистый железняк) в три стадии. Первая стадия – это окислительное плавление хромита в присутствии карбоната натрия. Вторая стадия – растворение полученного хромсодержащего спека в серной кислоте. Третья стадия включает восстановление хрома (VI) до хрома (III) углеродом, а затем алюминотермическое восстановление полученного оксида до чистого металла.

Вопросы и задания

1.Запишите описанные в тексте химические реакции, расставьте стехиометрические коэффициенты.

2.Кратко опишите историю открытия хрома.

3.В чем заключается биологическая роль хрома? Какое физиологическое действие оказывает избыток и недостаток хрома?

4.Рассчитайте массу хромита, необходимую для получения 1 т хрома, если его выход составил 96 %.

Задача 11. Элегаз

Элегаз был получен в 1900 г. в лаборатории факультета фармацевтики в Париже. Его используют в качестве газообразного изолятора в высоковольтных установках. Это химически инертное соединение, которое не взаимодействует со щелочами, кислотами, окислителями, восстановителями. Устойчиво к действию расплавленного натрия, а также не реагирует с расплавленными алюминием и магнием, защищает их от воздействия кислорода атмосферы. Слабо растворяется в воде, но растворяется в неполярных органических растворителях.

Вопросы и задания

1.Запишите способ получения этого вещества, назовите соединение по номенклатуре ИЮПАК.

2.Методом валентных связей опишите геометрическое строение молекулы и объясните его свойства.

13

3.Запишите ПДК для элегаза и методы его утилизации.

4.Рассчитайте объем (л) этого газа, который можно получить из

1000 л фтора (н. у.).

Задача 12. Тяжелый азот

Английский физик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) в 1894 г. проводил измерения плотности газов, входящих в состав атмосферного воздуха. Результаты измерений оказались неожиданными: так азот, выделенный из воздуха, тяжелее, чем азот, полученный из аммиака. Позже лорд Рэлей совместно с английским химиком Уильямом Рамзаем доказали, что азот, полученный из воздуха, содержит примеси неизвестного, более тяжелого газа. Так был открыт первый инертный газ – аргон.

Вопросы и задания

1.Какие вещества относят к инертным газам? Напишите их валентныеэлектронныеформулы. Укажитеихвозможныестепени окисления.

2.Опишите их физические и химические свойства.

3.Укажите области применения инертных газов. Приведите при-

меры.

4.При взаимодействии сульфата марганца с фторидом ксенона (II)

вводном растворе образовалось 9,6 г марганцовой кислоты. Рассчитайте объем выделившегося газа при температуре 20 °С и давлении 101,3 кПа.

Задача 13. Жидкий газ

В 2007 г. в Москве впервые для ликвидации скрытого пожара в стене многоэтажного дома был применен жидкий азот. Прибывшие к месту вызова пожарные установили, что в панелях нового многоуровневого жилого дома горит синтетический утеплитель. Чтобы избежать разрушения стены, было принято решение вести тушение горящего утеплителя жидким азотом, применив для этого автомобиль газового тушения. Удалось избежать деформаций стены здания и сохранить квартиры, которые граничили с пожароопасным участком [5].

Вопросы и задания

1. Заполните таблицу «Азот – строение, свойства».

2. Какие свойства жидкого азота позволяют использовать его как средство пожаротушения? Объясните эти свойства особенностями строения молекулы азота.

3. Подумайте, почему азотное пожаротушение, наряду с углекислотным, является эффективным для сохранности материальных ценностей (музеи, банки, склады, архивы), в помещениях объектов спиртовой и парфюмерной промышленности, в электроустановкахи кабельныхтуннелях?

14

4. Азот в промышленности получают из воздуха. Запишите метод разделения азота от других составляющих воздуха (кислород, углекислый газ, аргон, пары воды). Какой объем воздуха необходимо переработать (теоретически) для получения 1 тонны жидкого азота?

Задача 14. Самовоспламеняемая смесь

С хлоратом калия следует обращаться осторожно, т. к. его смесь с горючими материалами чувствительна к трению и удару. Чистый хлорат калия самопроизвольно не разлагается, но активно реагирует, а в некоторых случаях самовоспламеняется или взрывается при смешивании даже с небольшим количеством горючих веществ (фосфор, сера, включая обычную пыль и ворсинки). Поэтому данная соль сейчас почти не применяется в пиротехнике, за исключением производства спичек.

Вопросы и задания

1.Кем и когда была получена соль, указанная в тексте. Напишите методы промышленного способа получения данной соли.

2.Напишите уравнения реакций разложения хлората калия, а также реакции его взаимодействия с серой и фосфором. Укажите условия их протекания.

3.Укажите области применения хлората калия.

4.Рассчитайте тепловой эффект реакций разложения хлората калия при стандартных условиях и термодинамическую возможность их протекания при 500 °С. Для расчетов используйте справочные данные.

Задача 15. Взрыв в Бейруте

В 2020 г. на складе порта Бейрута произошли взрыв и крупный пожар. Причиной взрыва стала аммиачная селитра, которая была конфискована с заброшенного судна в 2014 г. Мощность взрыва была настолько сильной, что пострадали не менее 6500 человек и 200 человек погибли, а 300 000 человек потеряли свой дом.

Вопросы и задания

1.Запишите законы и формулы, необходимые для расчета и объяснения этого факта.

2.Предложитевозможныереакцииразложенияаммиачной селитры.

3.Выполните расчет энтальпии реакций, указанных в вопросе № 2 при стандартных условиях, используя справочные данные.

4.Оцените возможность их протекания. Сделайте вывод.

Задача 16. Древний огонь

Начало температуры горения древесины (в среднем) составляет порядка 350 °С. «Создать» такую температуру древним людям (неандертальцы/кроманьонцы) было крайне затруднительно с учетом тех простейших орудий труда, которыми они располагали.

15

Возникает вопрос – как же все-таки удавалось «легко» инициировать горение в любое время и при любых условиях? Одно из предположений – применение порошка природного минерала пиролюзита, используемого так же, как краситель.

Установлено, что добавление даже небольшого количества пиролюзита снижает температуру возгорания более чем на 100 градусов и увеличивает скорость горения и эффективность «теплоотдачи» топлива.

Вопросы и задания

1.Укажите химическую формулу пиролюзита, классифицируйте его по кислотно-основному признаку, изобразите графическую формулу.

2.Установите тип химической связи в данном соединении, ответ поясните расчетом. Опишите основные химические свойства, напишите уравнения реакций.

3.Каковаобластьпримененияданного минералав настоящеевремя?

4.Вычислите термодинамическую вероятность образования углекислого газа при 250 °С: а) из угля с кислородом воздуха; б) из угля

спиролюзитом. Сделайте вывод.

Задача 17. Лисий хвост

В 2018 г. в новостях появилась информация о выбросе диоксида азота и оксида углерода на кемеровском заводе «Азот» после остановки цеха по производству азотной кислоты из-за неисправности оборудования. Очевидцы зафиксировали на фото и видео, как из трубы завода идет бурый газ «лисий хвост», который является самым распространенным загрязнителем атмосферы. При взаимодействии этого газа с атмосферной влагой и кислородом образуются кислоты, которые выпадают вместе с осадками (туман, снег, дождь).

Вопросы и задания

1.В чем проявляется токсическое действие диоксида азота на живые организмы?

2.Напишите реакции образования кислот. Каково влияние этих кислот на металлические конструкции?

3.Опишите промышленный способ получения азотной кислоты.

4.Оцените термодинамическую возможность образования азотсо-

держащих кислот из диоксида азота. Ответ подтвердите расчетами H 0 ,S 0 , G0 , K р (для расчетов используйте справочные данные). Сделайте вывод.

Задача 18. Не лечит, а калечит

В истории медицины много случаев, когда применявшееся столетиями лекарство на самом деле оказывалось страшным ядом.

16

В истории медицины XVIII–XIX вв. известен факт использования соединений ртути в качестве желчегонных и слабительных средств, глазных мазей, а также для лечения венерических заболеваний. Достоверно известно, что каломельным слабительным «лечили» смертельно раненного Пушкина.

Вопросы и задания

1.О каком веществе идет речь? Какими свойствами оно обладает?

2.Напишите формулу соединения и его физические свойства.

3.Какимикачественнымиреакциямиможноопределитьионыртути?

4.Где в настоящее время находят применение соли ртути?

5.Объясните, применяя знания по теме «кинетика», почему при взаимодействии коричневого раствора иода в спирте с установленным соединением, раствор обесцвечивается в течение нескольких секунд, а при взаимодействии иода в растворе четыреххлористого углерода – в течение нескольких минут?

Задача 19. Загрязнение атмосферы

В больших городах и вблизи промышленных предприятий необходим постоянный контроль за чистотой воздуха. В химических лабораториях контроль и идентификацию токсичных веществ (SO2, NO, NO2, CO, CO2, H2S, NН3) ведут с применением специфических реакций. Для анализа пробу воздуха пропускают через твердые адсорбенты, пропитанные растворами поглотителей – щелочей или кислот.

Вопросы и задания

1.Запишите специфические реакции с указанными токсичными веществами.

2.Заполните таблицу:

3.Методом валентных связей опишите геометрическое строение

молекул (SO2, NO2, CO2, H2S, NН3). Для перечисленных соединений найдите связь между их строением и свойствами.

4.Вычислите скорость окисления сероводорода при начальных концентрациях: С(H2S) = 4,5·10–6 М, С(О2) = 2·10–4 М, если константа скорости окисления равна 4·10–5 л/моль·с.

Задача 20. Случайный катализ

Каталитические свойства платины были открыты случайно в 1823 г. немецкимхимикомИоганном ВольфгангомДёберейнером.

Во время одного из опытов получения платины прокаливанием гексахлороплатината аммония, кусочек губчатой платины оказался около прибора для получения водорода. При попадании струи водорода на платину, водород сразу вспыхнул и загорелся. Поскольку спичек в то

17

время еще не было, это оказалось значимым открытием. На основе этой реакции ученый сконструировал прибор, получивший название «огниво Дёберейнера», или «зажигательная машинка», который нашел широкое распространение в Германии.

Вопросы и задания

1.Напишите реакции, описанные в тексте. Какую роль выполняет платина?

2.Как называют вещества, которые ускоряют и замедляют химические реакции? Приведите примеры этих веществ и процессов, в которых они участвуют. Опишите механизм протекания таких реакций.

3.Как называют вещества, которые влияют на каталитическую активность? Приведите примеры.

4.Энергия активации реакции взаимодействия водорода с кислородом в отсутствии катализатора равна 66,8 кДж/моль, а с катализатором – 31,4 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость реакции в присутствии катализатора при температуре 20 °С?

Задача 21. Питьевая вода

Дом введен в эксплуатацию. Жильцы заселились, но органолептические показатели воды (цвет, запах) им не нравятся. Жильцы обеспокоены, можно ли данную воду использовать для питьевых и бытовых нужд, например использовать данную воду в дорогостоящих посудомоечных и стиральных машинах, а также для санитарно-гигиенических целей. Они передали воду в химическую лабораторию и получили протокол исследования качества воды.

Вопросы и задания

1.Найдите значения ПДК из литературных источников и внесите данные в таблицу.

2.Дайте заключение о качестве питьевой воды и возможности ее использования для бытовых нужд.

3.Какие уникальные свойства имеет вода?

4.Чем отличается дистиллированная вода от водопроводной? Как получают дистиллированную воду? Можно ли употреблять в пищу дистиллированную воду?

18

5. Для очистки водопроводной воды Томского подземного водозабора используется метод аэрации. В чем состоит сущность этого метода? Какие химические реакции обеспечивают очистку воды от ионов железа (+2) и марганца (+2) этим методом?

Задача 22. Кот и иод

Бернар Куртуа в 1811 г. открыл новый химический элемент – иод. История его открытия описана в виде веселого рассказа. У Б. Куртуа был любимый кот, который уронил бутылки со спиртовым раствором золы водорослейи концентрированнойсернойкислоты. Спола стали подниматься облака пара сине-фиолетового цвета, которые оседали в виде мелких тем- но-фиолетовых кристалликовнаповерхностьокружающихпредметов.

Вопросы и задания

1.Напишите реакцию, описанную в задаче, если в золе водорослей содержится иодид натрия.

2.Опишите физические и химические свойства иода.

3.Какими способами можно получить иод? Где применяют раствор иода?

4.Массовая доля иода в аптечной иодной настойке составляет 5 %. Рассчитайте массы иода и спирта, которые нужно взять, чтобы приготовить 200 г настойки?

Задача 23. Фиалки-индикаторы

Однажды, во время проведения опытов с соляной кислотой Робертом Бойлем, в лабораторию вошел садовник с корзиной фиалок. Поскольку ученый был очень занят, то попросил поставить цветы на край стола. По окончании эксперимента Р. Бойль заметил, что цветы дымятся, тогда он опустил их в стакан с водой и лепестки тут же изменили цвет с темно-фиолетового на красный. Ученого это очень заинтересовало, и он стал проводить опыты, опуская различные растения (цветы, травы, корни и кору деревьев, мхи и лишайники) в разные растворы. Лучшие результаты дали опыты с лакмусовым лишайником – он мгновенно менял цвет. Тогда Роберт Бойль опустил в раствор с лакмусом полоски бумаги, а затем высушил их – так появилась первая лакмусовая индикаторная бумага.

Вопросы и задания

1.На какие группы подразделяют индикаторы?

2.Напишите кислотно-основные индикаторы (не менее четырех). Составьте таблицу изменения окраски указанных индикаторов в разных средах.

3.Укажите области применения индикаторов. Ответ подтвердите примерами.

4.К раствору Na2CO3, содержащему 0,1285 г вещества с техническими примесями, добавили 25,00 мл 0,2034 М раствора HCl. Избыток

19

этой кислоты оттитровали 23,42 мл 0,1256 М раствора NaOH в присутствии индикатора метилового оранжевого. Рассчитайте массовую долю примесей в соде.

Задача 24. Удивительный сплав Вуда

В 1860 г. американский врач-дантист Барнабас Вуд изобрел легкоплавкий сплав тяжелых металлов. Температура его плавления всего 60,0…68,5 °C. Про «сплав Вуда» известна веселая история с участием физика Роберта Вуда – однофамильца изобретателя.

Однажды профессор Вуд пригласил своих друзей в гости. Когда во время чаепития они начали размешивать сахар, то почему-то у них расплавились чайные ложки. Гости не смогли скрыть недоумение – в руках осталось только по небольшому кусочку ложки, а на дне стакана оказался жидкийметаллнаподобиертути. Посленебольшойпаузыдрузьярассмеялись.

Вопросы и задания

1.Укажите качественный и количественный состав сплава в %.

2.Чем опасен данный сплав?

3.Где он применяется?

4.Какой компонент сплава можно считать растворителем? Рассчитайте его мольную долю.

Задача 25. Борьба с гололедицей

Первыми людьми, которые придумали посыпать дороги песком, для того чтобы лошади не скользили и не падали, были древние римляне. ВXVIII в. в песок стали добавлять хлорид натрия. В середине XX в. в России остро встала экологическая проблема: песок забивал водостоки, оставался на тротуарах и дорогах. Каждой весной начиналась битва за чистоту улиц. Тогда было решено посыпать дороги только технической солью, но если в Европе и США расход соли дозировался строго, то в России соль раскидывали неограниченно, что только усугубило экологическую ситуацию. Весной, когда снег со льдом сходили, дороги оставались белыми, страдал транспорт, гибли зеленые насаждения, как писали экологи, в Москве соляные пары достигали высоты почти 15 м! Они же начали бить тревогу, заявляя о необходимости прекратить посыпать дороги солью, иначекрупныегородаожидает экологическая катастрофа.

Вопросы и задания

1.Почему соль – достаточно эффективное средство при борьбе с наледью?

2.Какие вещества применяют для борьбы с гололедицей в XXI в.

вЕвропе и России?

3.Что такое фрикционные материалы?

4.В чем вред использования солесодержащих реагентов?

20